antriebstechnikk 3/2016

MEHRMOTORENANTRIEBSSYSTEME
sentieren sowohl die Ergebnisse mehrjähriger Forschungsaktivitäten
als auch einen Überblick über den aktuellen Stand und zukünftige
Ziele der Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet.
Aufbau und Struktur
von Mehrmotorenantriebssystemen
Mehrmotorenantriebssysteme sind definiert als die Kombination
von zwei oder mehr Motoren, die gemeinsam einen Arbeitsprozess
antreiben und sich aufgrund ihrer Verkopplung in ihrem Betriebsverhalten
gegenseitig beeinflussen [SHZ14]. Sofern vorhanden, zählen
alle elektrischen, elektronischen und mechanischen Elemente,
die am Leistungsfluss von dem elektrischen Versorgungsnetz bis zu
dem Arbeitsprozess beteiligt sind, zu dem MMDS (Bild 02).
Das Gesamtsystem kann in die folgenden fünf Bereiche untergliedert
werden:
n Das elektrische Versorgungsnetz stellt die Energiequelle – und im
Falle eines rückspeisefähigen Systems ebenfalls die Energiesenke
– des MMDS dar.
n Der Bereich der Elektronik umfasst alle Elemente, die die von
dem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellte Energie transformieren
sowie die Komponenten der Datenverarbeitung und
der Regelung. Es können sowohl Einzelumrichter für jeden Motor
als auch modulare Frequenzumrichterbaureihen aus getrennten
Gleichrichter- und Wechselrichtermodulen verwendet werden.
Die Datenverarbeitung und die Regelung werden durch eine SPS,
eine Soft-SPS, ein übergeordnetes Computersystem oder eine
Kombination dieser Komponenten übernommen.
n Die Motoren können elektrische Maschinen beliebiger Bauweise
und beliebiger Leistungsklasse sein. Innerhalb eines MMDS können
unterschiedliche Maschinenbauweisen und Leistungsklassen
miteinander kombiniert werden.
n Das mechanische Übertragungsglied verkoppelt die Motoren des
MMDS miteinander. Dabei ist zu beachten, dass dieses nicht
zwangsläufig als Getriebe ausgeführt sein muss.
n Der Arbeitsprozess wird von dem MMDS angetrieben. Im allgemeinen
Fall wird es sich um einen leistungsvariablen Arbeitsprozess
handeln, bei dem während der Prozesszeit sowohl Drehmoment als
auch Drehzahl variieren.
In Abhängigkeit des mechanischen Übertragungsgliedes lassen
sich die drei Verkopplungsarten
n mechanisch starre Kopplung,
n mechanisch elastische Kopplung und
n technologische Kopplung
unterscheiden [SHZ14; JBM06]. Eine mechanisch starre Kopplung
liegt vor, wenn eine Approximation der gegenseitigen Beeinflussung
der Motoren durch ein reines Proportionalverhalten möglich
ist. Bei einer mechanisch elastischen Kopplung hingegen muss die
gegenseitige Beeinflussung der Motoren durch ein ausgeprägtes
PT n
-Verhalten (Proportionalverhalten mit Verzögerungsanteil n-ter
Ordnung) berücksichtigt werden. Eine technologische Kopplung
wiederum liegt dann vor, wenn keine direkte mechanische Beeinflussung
der Motoren stattfindet, sondern eine Kopplung auf informationeller
Ebene existiert, wie sie z. B. bei Gelenkarmrobotern mit
einem Motor je Bewegungsachse auftritt.
Aufgrund dieser Definition gibt es viele unterschiedliche Ausprägungen
von MMDS, die für verschiedenste Arbeitsprozesse geeignet
sind. Häufig wird das mechanische Übertragungsglied ein Summa-
02 Schematische Struktur eines allgemeinen MMDS
tionsgetriebe sein, womit eine mechanisch starre Kopplung der
Motoren vorliegt. Weiterhin werden für viele industrielle Arbeitsprozesse
vornehmlich Asynchronmaschinen verwendet werden.
Dieser Antriebssystemaufbau wird den Großteil der industriellen
Anwendungen abdecken. Daher liegt der Fokus dieser Beitragsreihe
auf derartigen Systemen.
Systeminhärente Freiheitsgrade
Aufgrund ihrer Struktur besitzen MMDS gegenüber SMDS erweiterte
systeminhärente Freiheitsgrade, die sowohl während der
Konzeptionsphase als auch während des Betriebs berücksichtigt
werden müssen. Die Freiheitsgrade in der Konzeptionsphase betreffen
hauptsächlich die Auswahl der zu verwendenden Komponenten.
Das folgende Gedankenexperiment soll diese Freiheitsgrade
veranschaulichen.
Plant ein Antriebstechnikhersteller eine neue Antriebssystembaureihe
mit den Nennleistungen 1 x P n
und 2 x P n
, so sieht das
konventionelle Vorgehen für die Konzeption einer SMDS-Baureihe
die Auswahl von zwei Motoren entsprechender Nennleistungen,
die Auswahl der motorspezifischen Leistungselektronik und die
Konzeption von zwei Getrieben vor.
Wird dieselbe Baureihe hingegen unter Berücksichtigung eines
MMDS-Konzeptes geplant, so werden während der Konzeptionsphase
ein Motor der Nennleistung 1 x P n
und ein entsprechender
Frequenzumrichter ausgewählt. Zusätzlich wird ein Getriebe konzipiert,
welches in zwei Varianten – mit einer oder mit zwei Eingangswellen
– gefertigt werden kann (Bild 03). Die Eingangswellen
und die Ausgangswelle sind dabei für beide Getriebevarianten
identisch. Über das gesamte Produktportfolio hinweg muss durch
eine geeignet gewählte Stufung der Baureihen sichergestellt werden,
dass modularitätsbedingte Überdimensionierungen mechanischer
Bauteile in möglichst geringem Umfang auftreten.
Beide Ansätze sind in der Lage, die geforderte externe Variantenvielfalt
bereitzustellen. Es ist allerdings ersichtlich, dass bei Verwendung
des MMDS-Konzeptes eine geringere interne Variantenvielfalt
und ein höherer Gleichteilegrad innerhalb der Baureihe entstehen.
Hieraus resultieren für den Antriebstechnikhersteller Kostenvorteile
n im Einkauf aufgrund von Skaleneffekten,
n in der Produktion und Logistik aufgrund von bekannten und
standardisiert handhabbaren Komponenten,
n im Vertrieb durch eine gesteigerte Konfigurationsfähigkeit der
Produkte und eine erhöhte Liefertreue
n sowie in der internen Organisation der Leistungserstellung durch
ein vereinfachtes Produktdatenmanagement.
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